(57)【要約】【課題】  運動性能の高い流体中自由運動体を実現するための流体経路切替素子、および流体中自由運動体、ならびに流体中自由運動体の姿勢制御方法の提供【解決手段】  操舵翼２２ｂの表面には、噴流を噴出するための出力口２３ａ、２３ｂが設けられている。ボディーの内部の流体源２４から噴出した噴流を制御ポート８ａ、８ｂにより出力口２３ａ、２３ｂのいずれへ出力するかを選択し、結果操舵翼２２ｂに生じる力を利用し流体中自由運動体の姿勢を制御する【選択図】  図７
2005121209.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を流体経路切替素子の本体内部に入力する流体入力経路と、
前記流体入力経路に設けられ、前記流体を加速して噴流を生成するノズル部と、
前記流体入力経路に接続され、前記噴流を前記本体外部へ出力する複数の噴流出力経路と、
前記ノズル部と、前記噴流出力経路との間の前記流体入力経路に一端が開口され、他端が前記本体外部に開放された複数の制御経路と、
前記制御経路に設けられ、前記制御経路の前記本体外部への開放状態を開放もしくは遮断のいずれかに切り替える制御バルブと
を有することを特徴とする流体経路切替素子。
【請求項２】
流体を流体経路切替素子の本体内部に入力する流体入力経路と、
前記流体入力経路に設けられ、前記流体を加速して噴流を生成するノズル部と、
前記流体入力経路に接続され、前記噴流を前記本体外部へ出力する第１の噴流出力経路および第２の噴流出力経路と、
前記ノズル部と、前記第１の噴流出力経路および第２の噴流出力経路との間の、前記流体入力経路に一端が開口され、他端が前記本体外部へ開放された第１の経路および第２の経路を有する制御経路と、
前記制御経路に設けられ、前記第１の経路が前記本体外部に開放され、前記第２の経路が遮断された状態と、前記第１の経路が遮断され、前記第２の経路が前記本体外部へ開放された状態のいずれかに切り替える三方弁と
を有することを特徴とする流体経路切替素子。
【請求項３】
前記三方弁は、前記第１の経路に接続された第１の接触部と、
前記第２の経路に接続された第２の接触部と、
前記第１の接触部と第２の接触部の間に設けられ，前記第１の接触部と接触する位置と前記第２の接触部と接触する位置の間を往復して移動できるように設けられた接点部と、
電流を印加することにより前記接点部を前記第１の接触部と接触する位置または前記第２の接触部と接触する位置へ移動させることができるように設けられた圧電素子と、
を有することを特徴とする請求項２に記載の流体経路切替素子。
【請求項４】
前記圧電素子は、前記電流の極性を選択することにより、前記接点部を前記第１の接触部と接触する位置と前記第２の接触部と接触する位置のいずれかの位置へ移動することを選択することができることを特徴とする請求項３に記載の流体切替素子。
【請求項５】
前記ノズル部の前記流体の圧力が０．１ＭＰａ以上０．２５ＭＰａ以下、
および前記ノズル部から噴出する前記噴流の流量が２０．０Ｌ／ｍｉｎ以上５５．０Ｌ／ｍｉｎ以下の条件で、
前記ノズル部の開口面積が０．３２ｍｍ2以上５．０ｍｍ2未満、
および前記制御経路の前記一端側の開口面積が０．３２ｍｍ2以上５．０ｍｍ2未満、
および前記噴流出力経路の最も細い部分の断面開口面積が１．６ｍｍ2以上２５ｍｍ2未満
である請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の流体経路切替素子。
【請求項６】
流体中を運動可能なボディーと、
流体を入力する流体入力経路と、
前記流体入力経路に設けられ、前記流体を加速して噴流を生成するノズル部と、
前記流体入力経路に接続され、前記噴流を前記ボディー外部へ出力する複数の噴流出力経路と、
前記ボディーに設けられ、前記噴流出力経路からの噴流を前記ボディー外部へ放出する複数の噴出口と、
前記ノズル部と、前記噴流出力経路との間の前記流体入力経路に一端が開口され、他端が前記ボディー外部に開放された複数の制御経路と、
前記制御経路に設けられ、前記制御経路の前記ボディー外部への開放状態を開放もしくは遮断のいずれかに切り替える制御バルブとを有し、
前記制御バルブを制御することにより、前記複数の噴出口のいずれから前記噴流を噴出させるかを切り替えること
を特徴とする流体中自由運動体。
【請求項７】
流体中を運動可能なボディーと、
流体を入力する流体入力経路と、
前記流体入力経路に設けられ、前記流体を加速して噴流を生成するノズル部と、
前記流体入力経路に接続され、前記噴流を前記ボディー外部へ出力する複数の噴流出力経路と、
前記ボディーに設けられ、前記噴流出力経路からの噴流を前記ボディー外部へ放出する複数の噴出口と、
前記ノズル部と、前記噴流出力経路との間の前記流体入力経路に一端が開口され、他端が前記ボディー外部に開放された複数の制御経路と、
前記制御経路に設けられ、前記制御経路の一部が前記ボディー外部に開放され、前記制御経路の他の一部が遮断された状態と、前記制御経路の一部が遮断され、前記制御経路の他の一部が前記ボディー外部へ開放された状態のいずれかに切り替える三方弁とを有し、
前記三方弁を制御することにより、前記複数の噴出口のいずれから前記噴流を噴出させるかを切り替えること
を特徴とする流体中自由運動体。
【請求項８】
前記三方弁は、前記第１の経路に接続された第１の接触部と、
前記第２の経路に接続された第２の接触部と、
前記第１の接触部と第２の接触部の間に設けられ，前記第１の接触部と接触する位置と前記第２の接触部と接触する位置の間を往復して移動できるように設けられた接点部と、
電流を印加することにより前記接点部を前記第１の接触部と接触する位置または前記第２の接触部と接触する位置へ移動させることができるように設けられた圧電素子と、
を有することを特徴とする請求項６に記載の流体中自由運動体。
【請求項９】
前記圧電素子は、前記電流の極性を選択することにより、前記接点部を前記第１の接触部と接触する位置と前記第２の接触部と接触する位置のいずれかの位置へ移動することを選択することができることを特徴とする請求項８に記載の流体中自由運動体。
【請求項１０】
前記ノズル部の前記流体の圧力が０．１ＭＰａ以上０．２５ＭＰａ以下、
および前記ノズル部から噴出する前記噴流の流量が２０．０Ｌ／ｍｉｎ以上５５．０Ｌ／ｍｉｎ以下の条件で、
前記ノズル部の開口面積が０．３２ｍｍ2以上５．０ｍｍ2未満、
および前記制御経路の前記一端側の開口面積が０．３２ｍｍ2以上５．０ｍｍ2未満、
および前記噴流出力経路の最も細い部分の断面開口面積が１．６ｍｍ2以上２５ｍｍ2未満
である請求項６乃至請求項９のいずれか１項に記載の流体中自由運動体。
【請求項１１】
流体中を運動するボディーと、
前記ボディーに設けられた噴流を噴出させるための複数の噴出口と、
前記複数の噴出口のいずれから前記噴流を噴出させるかを切り替える制御バルブとを有する流体中自由運動体の姿勢制御方法において、
到達目標に対する方向、距離および現在の姿勢から目標姿勢と現在の姿勢との差異を求める工程と、
前記差異に基づいて前記複数の噴出口から噴出させる噴流の噴出時間の比を求める工程と、
前記噴出時間の比に応じた噴出時間だけ、前記噴流を噴出させるために、前記噴出口に対応した前記制御バルブの開閉を制御する工程と、
を有することを特徴とする流体中自由運動体の姿勢制御方法。
【請求項１２】
前記噴出時間は、前記噴出時間の比と最小噴出時間の積である請求項１１に記載の流体中自由運動体の姿勢制御方法。
【請求項１３】
前記噴出時間は、単位噴出時間を噴出時間の比に分割した時間である請求項１１に記載の流体中自由運動体の姿勢制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は例えば飛翔体や潜水体等の流体中自由運動体の制御機構に係り、特に自由運動制御機構に用いる流体経路切替素子および自由運動制御機構により制御される流体中自由運動体ならびに流体中自由運動体の姿勢制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の、飛翔体や潜水体等の流体中自由運動体の制御機構の一つとして、操舵翼を駆動し操舵翼にかかる流体の力を利用して制御を行うものがある。例えば、この制御を用いた流体中自由運動体は、図１６に示すように、流体中自由運動体の胴体１０１の内部に設けられた駆動手段（図示せず）と、駆動手段により流体に対する迎え角を操作できる操舵翼１０２とを有している。この制御は、駆動手段により操舵翼１０２の流体に対する迎え角を変化させ、流体から操舵翼にかかる力の変化を利用し、流体中自由運動体の姿勢を変化させる。駆動手段としては、一般的に電磁アクチュエータや油圧アクチュエータが用いられる。（非特許文献１）
【０００３】
従来の流体中自由運動体の制御の飛翔体への適用例を図１７に示す。主翼１０３にはフラップ１０４が、垂直尾翼１０６には方向舵１０７が、水平尾翼１０８には、昇降舵１０９が設けられている。フラップ１０４は飛翔体にかかる揚力の制御とローリング方向の姿勢制御、方向舵１０７はヨーイング方向の姿勢制御、昇降舵１０９はピッチング方向の姿勢制御に用いられる。
【０００４】
代表してフラップ１０４について操舵翼にかかる力の利用メカニズムを図１８を用いて説明する。主翼１０３に設けられたフラップ１０４の周りには、流体中自由運動体が流体中を運動すると、流体１１０が図中の矢印の様に主翼からフラップの周囲に沿う様に流れ、揚力１１１が発生する。ここで、フラップ１０４の流体１１０に対する迎え角を制御することで、流体１１０の流れの向きが変わり、揚力１１１の大きさを制御できる。この原理は飛翔体だけでなく、流体中を運動する流体中自由運動体に広く一般的に使用され、例えば図１９に示す様に潜水体の潜舵１１２にも用いられている。
【０００５】
また、他の制御機構として、流体中自由運動体から噴流を噴出させ、その反力を利用するものがある。例えば、この方式を用いた流体中自由運動体は、図２０（ａ）に示すように、流体中自由運動体の胴体１１３に噴流口１１４が設けられている。流体中自由運動体の方向を変化させたい場合、噴流口１１４より噴流を噴出させ、その反力を利用し、流体中自由運動体の方向を制御する。なお、図２０（ｂ）に示すように前述した操舵翼と組み合わせ、例えば流体中自由運動体の推力を供給するジェットエンジン１１５より噴出した噴流の一部を、操舵翼１１６にて方向を変化させ、より大きな流体中自由運動体にかかる揚力を得ることができる。また、図２０（ｃ）に示すように、主翼１１７とフラップ１１８の間に隙間１１９を設けることにより、隙間１１９を流体が通過し、フラップ１１８から流体が剥離することがなく、さらに大きな揚力を得ることができる。
【非特許文献１】航空力学の基礎（第２版）牧野光雄 著（産業図書）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、この様な制御手段は、操舵翼を駆動する駆動手段または噴流を発生させる流体源と噴流をオン／オフするためのバルブが必須である。
【０００７】
操舵翼を用いる制御手段では、必要な操舵翼にかかる流体の力を得るためには、相当の翼面積が必要であり、したがって操舵翼を駆動する駆動手段も必然的に高出力なものが求められる。高出力の駆動手段には、広いスペースと大きなエネルギーばかりでなく、ボディーへの取り付け部や軸受部にかかる力も大きくなるめ、強固な構造が必要となる。
【０００８】
一方、噴流を利用した制御手段では、流体中自由運動体の姿勢を変化させるためには、相当の流量、流速が必要であり、したがって流体源には必然的に高い圧力が求められる。高い圧力の噴流をオン／オフするためのバルブは、その圧力に耐えうるだけの構造、作動力が必要となる。
【０００９】
これら駆動手段またはバルブの重量、および体積、ならびに流体中自由運動体に求められる強固な構造は、流体中自由運動体の小型化、軽量化を阻害し、流体中自由運動体と流体との抵抗の軽減や流体中自由運動体の運動性能の向上を阻む原因の一つとなっていた。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、小型、軽量で流体との抵抗が少なく、運動性能の高い流体中自由運動体を実現するための流体経路切替素子、および流体中自由運動体、ならびに流体中自由運動体の姿勢制御方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の流体経路切替素子は、流体を流体経路切替素子の本体内部に入力する流体入力経路と、前記流体入力経路に設けられ、前記流体を加速して噴流を生成するノズル部と、前記流体入力経路に接続され、前記噴流を前記本体外部へ出力する複数の噴流出力経路と、前記ノズル部と、前記噴流出力経路との間の前記流体入力経路に一端が開口され、他端が前記本体外部に開放された複数の制御経路と、前記制御経路に設けられ、前記制御経路の前記本体外部への開放状態を開放もしくは遮断のいずれかに切り替える制御バルブとを有することを特徴とする。
【００１２】
また、上記目的を達成するために、本発明の流体経路切替素子は、流体を流体経路切替素子の本体内部に入力する流体入力経路と、前記流体入力経路に設けられ、前記流体を加速して噴流を生成するノズル部と、前記流体入力経路に接続され、前記噴流を前記本体外部へ出力する第１の噴流出力経路および第２の噴流出力経路と、前記ノズル部と、前記第１の噴流出力経路および第２の噴流出力経路との間の、前記流体入力経路に一端が開口され、他端が前記本体外部へ開放された第１の経路および第２の経路を有する制御経路と、前記制御経路に設けられ、前記第１の経路が前記本体外部に開放され、前記第２の経路が遮断された状態と、前記第１の経路が遮断され、前記第２の経路が前記本体外部へ開放された状態のいずれかに切り替える三方弁とを有することを特徴とする。
【００１３】
また、上記目的を達成するために、本発明の流体中自由運動体は、流体中を運動可能なボディーと、流体を入力する流体入力経路と、前記流体入力経路に設けられ、前記流体を加速して噴流を生成するノズル部と、前記流体入力経路に接続され、前記噴流を前記ボディー外部へ出力する複数の噴流出力経路と、前記ボディーに設けられ、前記噴流出力経路からの噴流を前記ボディー外部へ放出する複数の噴出口と、前記ノズル部と、前記噴流出力経路との間の前記流体入力経路に一端が開口され、他端が前記ボディー外部に開放された複数の制御経路と、前記制御経路に設けられ、前記制御経路の前記ボディー外部への開放状態を開放もしくは遮断のいずれかに切り替える制御バルブとを有し、前記制御バルブを制御することにより、前記複数の噴出口のいずれから前記噴流を噴出させるかを切り替えることを特徴とする。
【００１４】
また、上記目的を達成するために、本発明の流体中自由運動体は、流体中を運動可能なボディーと、流体を入力する流体入力経路と、前記流体入力経路に設けられ、前記流体を加速して噴流を生成するノズル部と、前記流体入力経路に接続され、前記噴流を前記ボディー外部へ出力する複数の噴流出力経路と、前記ボディーに設けられ、前記噴流出力経路からの噴流を前記ボディー外部へ放出する複数の噴出口と、前記ノズル部と、前記噴流出力経路との間の前記流体入力経路に一端が開口され、他端が前記ボディー外部に開放された複数の制御経路と、前記制御経路に設けられ、前記制御経路の一部が前記ボディー外部に開放され、前記制御経路の他の一部が遮断された状態と、前記制御経路の一部が遮断され、前記制御経路の他の一部が前記ボディー外部へ開放された状態のいずれかに切り替える三方弁とを有し、前記三方弁を制御することにより、前記複数の噴出口のいずれから前記噴流を噴出させるかを切り替えることを特徴とする。
【００１５】
また、上記目的を達成するために、本発明の流体中自由運動体の姿勢制御方法は、流体中を運動するボディーと、前記ボディーに設けられた噴流を噴出させるための複数の噴出口と、前記複数の噴出口のいずれから前記噴流を噴出させるかを切り替える制御バルブとを有する流体中自由運動体の姿勢制御方法において、到達目標に対する方向、距離および現在の姿勢から目標姿勢と現在の姿勢との差異を求める工程と、前記差異に基づいて前記複数の噴出口から噴出させる噴流の噴出時間の比を求める工程と、前記噴出時間の比に応じた噴出時間だけ、前記噴流を噴出させるために、前記噴出口に対応した前記制御バルブの開閉を制御する工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
以上詳述したように、本発明によれば、小型、軽量で流体との抵抗が少なく、運動性能の高い流体中自由運動体を実現するための流体経路切替素子、および流体中自由運動体、ならびに流体中自由運動体の姿勢制御方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１８】
（第１の実施の形態）
まず、図１に本発明による第一の実施の形態にかかる、流体経路切替素子の断面を示す。
【００１９】
流体経路切替素子の本体１の内部には、噴流となる流体を流体経路切替素子の本体内部に入力する空間である流体入力経路２が設けられている。流体入力経路２の一方の端（図中左側）は、流体の供給源（図示せず）と接続可能である入力口３となっている。
【００２０】
流体入力経路２の他方の端（図中右側）は本体１の内部で分割され、複数（本実施の形態では２つ）の噴流出力経路４ａ、４ｂの一方の端と接続されている。噴流出力経路４ａ、４ｂの他方の端は本体の外部へ噴流を出力するための出力口５ａ、５ｂとなっている。
【００２１】
流体入力経路２の途中には、流体を加速して噴流を生成するノズル部６が設けられている。流体入力経路２の流体の流れに対して略直交する方向の断面積は、流体がノズル部６を通過した直後広い空間７へと流れ込むように、ノズル部６から流体入力経路２が複数の噴流出力経路４ａ、４ｂに接続される部分にかけて変化している。
【００２２】
ノズル部６と、流体入力経路２が複数の噴流出力経路４ａ、４ｂに分割される分割部分との間の、ノズル部６近傍には、噴流出力経路４ａ，４ｂと同数の制御経路（本実施の形態では２つ）８ａ、８ｂが設けられている。制御経路８ａ、８ｂのノズル部６側の一端は、空間７に開口している。制御経路８ａ、８ｂの開口は、ノズル部中心から対応する噴流出力経路４ａ、４ｂの分岐方向側に位置している。制御経路８ａ、８ｂの空間７と反対の端（他端）は、本体１の外部へ開口している。
【００２３】
制御経路８ａ、８ｂの途中には、制御経路８ａ、８ｂを本体１の外へ開放している状態、または遮断している状態のいずれかに切り替える制御バルブ９ａ、９ｂが設けられている。
【００２４】
次に、流体経路切替素子の動作原理について図２を参照して説明する。流体入力経路２から入力された流体１０は、ノズル部６から空間７へ噴流１１となって流れ込む。この時、制御バルブ９ｂを開放、制御バルブ９ａを遮断した状態の場合、噴流１１の流入速度が速いため、噴流は乱流となり、乱流によってノズル部６近傍では渦を引き起こし空間７の壁面４０付近の圧力が低下する。バルブ９ｂが開放状態にあるため、制御通路８ｂを通って外部より流体が流入してくる。すると、空間７の壁面４０付近の圧力が低い方向、すなわち制御経路８ａの開口方向へ噴流１１は偏向する。一旦偏向した噴流１１はコアンダ効果により空間７の壁面４０に沿って流れ、最終的に噴流出力経路４ａを通って出力口５ａから噴流１１は出力される。噴流の出力先を出力口５ａから出力口５ｂに切り替える場合、制御バルブ９ａを開放、制御バルブ９ｂを遮断すると、同様に出力口５ｂより噴流１１は出力される。
【００２５】
この様に、第１の実施の形態による流体経路切替素子では、噴流１１の出力方向を、制御バルブ９ａ、９ｂの開閉動作にて切り替えが可能である。噴流１１の圧力、流量に比べ、制御経路８ａ、８ｂを流れる流体の圧力、流量は非常に小さいものなので、噴流出力経路４ａ、４ｂに直接バルブを設ける場合に比べ、制御バルブ９ａ、９ｂは小さいバルブで十分である。また、制御経路８ａ、８ｂから空間７へ流体が流入される時、噴流１１の周囲に発生する渦による負圧を利用しているため、制御経路８ａ、８ｂに流体源を接続する必要がない。すなわち、非常に簡便な機構にて噴流１１の方向切り替えが可能になる。
【００２６】
この様な、実施の形態による流体経路切替素子について、試作、実験を行った。図３に試作、実験に用いた流体経路切替素子を示す。なお、図１に示す実施の形態による流体経路切替素子と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。本体１には変位測定のための測定点１２が取り付けられ、噴流１１が噴流出力経路４ａ、４ｂのいずれから出力されているか検出可能になっている。
【００２７】
図３に示す試作、実験装置を空気を流体として用いる場合（例えば空中を移動する飛翔体）を想定し、ノズル部６の流体１０の圧力を０．１ＭＰａ〜０．２５ＭＰａに、ノズル部６から噴出する噴流１１の流量を２０．０Ｌ／ｍｉｎ〜５５．０Ｌ／ｍｉｎに設定して、ノズル部６、制御経路８ａ、８ｂ、出力口５ａ、５ｂの開口面積と、流体１０の圧力および噴流１１の流量を変化させて実験を行った。表１にノズル部６の面積、制御経路８ａ、８ｂの面積、出力口５ａ、５ｂの面積をそれぞれ変化させて行った３種類の実験の切替可否の結果を示している。図４は圧力と流量の条件を種々変化させたときの切替可否をプロットした図である。
【００２８】
【表１】
2005121209.tif 000003
【００２９】
上述した流量および圧力の範囲内では、条件１および条件３の流体経路切替素子は噴流出力経路の切り替えができなかったが、条件２の流体経路切替素子はノズル部６の流体１０の圧力が０．１６８ＭＰａ以上、ノズル部６から噴出する噴流１１の流量が４３Ｌ／ｍｉｎ以上の条件で噴流の出力経路の切り替えができた。
【００３０】
この様に、第１の実施の形態による流体経路切替素子の試作、実験結果によると、ノズル部６の流体１０の圧力が０．１ＭＰａ以上０．２５ＭＰａ以下で、かつノズル部６から噴出する噴流１１の流量が２０．０Ｌ／ｍｉｎ以上５５．０Ｌ／ｍｉｎ以下で流体経路切替素子を用いる場合、ノズル部６の開口面積は０．３２ｍｍ2以上５．０ｍｍ2未満、および制御経路８ａ、８ｂのノズル部６側の開口面積（制御経路面積）は０．３２ｍｍ2以上５．０ｍｍ2未満、噴流出力経路４ａ、４ｂの最も細い部分の断面開口面積（出力口面積）は１．６ｍｍ2以上２５．０ｍｍ2未満であれば、噴流の出力経路の切り替えが可能な条件を見出すことが可能であることがわかった。
【００３１】
なお、第１の実施の形態による流体経路切替素子では、２本の制御経路８ａ、８ｂの切り替えを２つの制御バルブ９ａ、９ｂで行っているが、図６に示す三方弁１つでも切り替え可能である。三方弁本体１３に設けられた入力ポート１４ａは流体経路切替素子の外部へ開放されている。一方、出力ポート１４ｂ、１４ｃは流体経路切替素子の制御経路８ａ（第１の経路）、８ｂ（第２の経路）に接続されている。切り替え弁１５が往復動作することにより、入力ポート１４ａの接続先が出力ポート１４ｂ、１４ｃの何れかへ切り替えられる。出力ポート１４ｂ、１４ｃへの切り替えの結果、流体経路切替素子の外部と制御経路８ａ、８ｂとの接続が切り替えられ、噴流の出力方向が噴流出力経路４ａ（第１の噴流出力経路）、４ｂ（第２の噴流出力経路）へと切り替えられる。
【００３２】
（第２の実施の形態）
以下に、本発明による第２の実施の形態にかかる、流体中自由運動体について図７を参照しながら説明する。なお、本発明による第１の実施の形態と同一部分については同一符号で示し、その説明を省略する。
【００３３】
流体経路切替素子の本体１の内部には流体入力経路２が設けられている。流体入力経路２の一方の端は、流体の供給源と接続可能である入力口３となっている。流体入力経路２の他方の端は本体１の内部で分割され、複数（本実施の形態では２つ）の噴流出力経路４ａ、４ｂの一方の端と接続されている。噴流出力経路４ａ、４ｂの他方の端は本体の外部へ噴流を出力するための出力口５ａ、５ｂとなっている。
【００３４】
流体入力経路２の途中にはノズル部６が設けられている。流体入力経路２の流体の流れに対して略直交する方向の断面積は、流体がノズル部６を通過した直後広い空間７へと流れ込むように、ノズル部６から流体入力経路２が複数の噴流出力経路４ａ、４ｂに接続される部分にかけて変化している。
【００３５】
ノズル部６と、流体入力経路２が複数の噴流出力経路４ａ、４ｂに分割される分割部分との間のノズル部６近傍には、噴流出力経路４ａ，４ｂと同数の制御経路（本実施の形態では２つ）８ａ、８ｂが設けられている。制御経路８ａ、８ｂのノズル部６側の一端は、空間７に開口している。制御経路８ａ、８ｂの空間７と反対の端（他端）は、三方弁５０の筐体５１に設けられた出力管５２ａ、５２ｂの一方の端と、接続経路５３によって接続されている。
【００３６】
筐体５１の内部には空間５４が設けられている。出力管５２ａ、５２ｂの反対の端は空間５４に開口されている。この出力管５２ａの開口部である接触部５５ａ（第１の接触部）を塞ぐことにより、制御経路８ａの空間７と反対の端が塞がれた状態となる。同様に、この出力管５２ｂの開口部である接触部５５ｂ（第２の接触部）を塞ぐことにより、制御経路８ｂの空間７と反対の端が塞がれた状態となる。
【００３７】
空間５４の内部には、圧電素子５６が設けられている。圧電素子５６は電流供給手段５７と電気的に接続されている。電流供給手段５７から電流を圧電素子５６に印加すると、圧電素子５６は圧電素子５６の曲げ方向へ弾性変形し、この弾性変形によって圧電素子５６の先端が接触部５５ａ、５５ｂと近づいたり離れたりするように、圧電素子５６は設けられている。圧電素子５６が接触部５５ａ、５５ｂのどちらから離れてどちらに近づくかは、圧電素子５６に印加する電流の極性によって選択される。
【００３８】
圧電素子５６の先端近傍には、例えばゴムなどのパッキン部材からなる接点部５８が設けられている。接点部５８は圧電素子５６が弾性変形することにより、接触部５５ａ、５５ｂと接触し、接触部５５ａ、５５ｂを塞ぐことができる。すなわち接点部５８が接触部５５ａ、５５ｂと接触する位置へ移動したり離れたりすることにより、接触部５５ａ、５５ｂを塞ぐことができる。接点部５８が接触部５５ａ、５５ｂのどちらから離れてどちらと接触する位置へ移動するかは、圧電素子５６に印加する電流の極性によって選択される。
【００３９】
筐体５１には、入力管５９が設けられている。入力管５９の一端は、空間５４に開口されており、他端は筐体５１および本体１の外部へ開口されている。従って、三方弁５０は、電流供給手段５７から圧電素子５６へ印加する電流の極性を切り替えることにより、接点部５８にて接触部５５ａまたは５５ｂを閉鎖し、制御経路８ａ、８ｂの空間７と反対の端を、筐体５１および本体１の外部へ開放する状態またはしない状態を切り替えることができるように構成されている。
【００４０】
このように、第２の実施の形態による流体経路切替素子では、噴流１１の出力方向を、三方弁５０にて切り替えが可能である。噴流１１の圧力、流量に比べ、制御経路８ａ、８ｂを流れる流体の圧力、流量は非常に小さいものなので、噴流出力経路４ａ、４ｂに直接バルブを設ける場合に比べ、三方弁５０は小さいもので十分である。また、制御経路８ａ、８ｂから空間７へ流体が流入される時、噴流１１の周囲に発生する渦による負圧を利用しているため、制御経路８ａ、８ｂに流体源を接続する必要がない。すなわち、非常に簡便な機構にて噴流１１の方向切り替えが可能になる。
【００４１】
また、第２の実施の形態による流体経路切替素子では、２系統のみの切り替えであったが、３系統以上の切り替えにも適用可能である。
【００４２】
また、第２の実施の形態による流体経路切替素子では、本体１と筐体５１は別の部材で構成したが、本体１と筐体５１を一体で構成しても構わない。
【００４３】
また、図８に示すように、圧電素子５６に換えて、圧電素子５６ａと延長部材６０を組み合わせて用いても構わない。
【００４４】
空間５４の内部には、圧電素子５６ａが設けられている。圧電素子５６ａは電流供給手段５７と電気的に接続されている。圧電素子５６ａは一端が筐体５１に固定され、他端には延長部６０が設けられている。電流供給手段５７から電流を圧電素子５６ａに印加すると、圧電素子５６ａは圧電素子５６ａの曲げ方向へ弾性変形し、この弾性変形によって延長部６０の先端が接触部５５ａ、５５ｂと近づいたり離れたりするように、圧電素子５６ａと延長部６０は設けられている。延長部６０が接触部５５ａ、５５ｂのどちらから離れてどちらに近づくかは、圧電素子５６ａに印加する電流の極性によって選択される。
【００４５】
空間５４の内部には支点６１が設けられている。支点６１は圧電素子５６ａの他端近傍を、圧電素子５６ａが圧電素子５６ａの曲げ方向へ弾性変形できるように、すなわち自由端となるように支持している。圧電素子５６ａが支点６１にて支持された場合、延長部６０の長さを十分にとることにより、延長部６０の先端が接触部５５ａ、５５ｂと近づいたり離れたりする往復運動の往復距離が大きくなる。
【００４６】
延長部６０の先端近傍には、例えばゴムなどのパッキン部材からなる接点部５８が設けられている。接点部５８は圧電素子５６ａが弾性変形することにより、接触部５５ａ、５５ｂと接触し、接触部５５ａ、５５ｂを塞ぐことができる。
【００４７】
このように、本発明による第２の実施の形態の変形例による流体経路切替素子では、本発明による第２の実施の形態による流体経路切替素子に比べ、延長部６０の先端が接触部５５ａ、５５ｂと近づいたり離れたりする往復運動の往復距離を大きくすることができるので、小さな圧電素子５６ａを用いた場合でも接触部５５ａ、５５ｂ部分を開いたり塞いだりする動作を確実に行うことができる。すなわち、流体経路切替素子をより小型化ことができる。
【００４８】
また、図９、図１０に示すように、接点部５８に換えてガイド部６２を有する環状部材６３を用いても構わない。環状部材６３は延長部６０に沿ってガイド部６２にて摺動可能可能な状態で設けられている。圧電素子５６ａに電流を印加し環状部材６３を接触部５５ａ、５５ｂと接触させると、図９に示すように環状部材６３は楕円状につぶれた状態となって接触部５５ａ、５５ｂ部分と接触し、接触部５５ａ、５５ｂを塞ぐことができる。環状部材６３が楕円状につぶれた状態となり、環状部材６３が接触部５５ａ、５５ｂを塞ぐ際、環状部材６３と接触部５５ａ、５５ｂの密封性が向上し、接触部５５ａ、５５ｂ部分を開いたり塞いだりする動作を確実に行うことができる。
【００４９】
（第３の実施の形態）
以下に、本発明による第３の実施の形態にかかる、流体中自由運動体について図１１を参照しながら説明する。
【００５０】
胴体２１と、４枚の操舵翼２２ａ〜２２ｄとからなる流体中自由運動体のボディー２０は、流体中を運動する際、流体からボディー２０にかかる力のバランスを制御して姿勢を制御する。以下、４枚の操舵翼２２ａ〜２２ｄの中の１枚２２ｂについて説明する。その他の３枚の操舵翼２２ａおよび２２ｃ〜２２ｄについては、構成および作用が操舵翼２２ｂと同様のためその説明を省略する。
【００５１】
操舵翼２２ｂの表面には、噴流を噴出するための出力口（噴出口）２３ａ、２３ｂが設けられている。ボディー２０の内部には、第１の実施の形態による流体経路切替素子が設けられている。なお、図１〜図２に示す実施の形態による流体経路切替素子の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。第１の実施の形態による流体経路切替素子は、流体源２４より流体（図示せず）が供給される。第１の実施の形態による流体経路切替素子によって噴流が形成され、操舵翼２２ｂの表面に設けられた出力口２３ａ、２３ｂのいずれか一方から噴流を噴出させることができる。
【００５２】
次に、出力口２３ａ、２３ｂより噴出された噴流による操舵翼２２ｂにかかる力について図１２を参照しながら説明する。操舵翼２２ｂの周囲には、流体の流れ２５ａ、２５ｂが操舵翼２２ｂに付着するように流れている。図１２（ａ）に示すように、噴流１１が噴出していない状態では、流れ２５ａ、２５ｂは操舵翼２２ｂの周りを対象に流れている。しかし、図１２（ｂ）に示すように、出力口２３ａから噴流１１を噴出させると、流れ２５ａ、２５ｂの流れる方向は偏向し、操舵翼２２ｂには流体の流れ方向に対し垂直方向の力２６が発生する。
【００５３】
この様に、第３の実施の形態による流体中自由運動体は、従来の流体中自由運動体に比べ、制御機構に必要な空間、重量、エネルギーが非常に小さいため、流体中自由運動体の小型化、軽量化が可能となる。これは、流体中自由運動体の設計の自由度が増すばかりでなく、流体中自由運動体のもつ運動エネルギーが減少し、流体との抵抗が減少し、航続距離の延長、運動性能の向上が実現できる。
【００５４】
なお、制御バルブ９ａ、９ｂに換えて三方弁、例えば本発明の第２の実施の形態にかかる流体経路切替素子に用いた三方弁５０を用いても構わない。例えば図１３に示すように、操舵翼２２ｂの内部に三方弁５０を設けることができる。この時、入力管５９はボディー２０の任意の位置で、ボディー２０の外部に開口されている。また、出力管５２ａ、５２ｂは制御ポート８ａ、８ｂに連通している。このように、第３の実施の形態の変形例による流体中自由運動体は、制御バルブ９ａ、９ｂに換えて三方弁５０を操舵翼（図１３では代表して操舵翼２２ｂ）の内部に設けることにより、ボディー２０をより小型化することができる。
【００５５】
（第４の実施の形態）
以下に、本発明による第４の実施の形態にかかる、流体中自由運動体の姿勢制御方法について図１１、図１４、図１５を参照しながら説明する。
【００５６】
４枚の操舵翼２２ａ〜２２ｄを有する流体中自由運動体では、４枚の操舵翼の組み合わせにより、流体中自由運動体の姿勢をヨーイング方向、ピッチング方向、ローリング方向のいずれの方向へも自由に制御可能である。例えば、図１１において流体中自由運動体のボディーを図中上方向（ピッチング方向）へ向ける場合、操舵翼２２ａおよび２２ｂの周囲を流れる流体の圧力分布を、流体の流れ方向に対し、垂直下方向への力が発生する様にすると、目的の方向へ流体中自由運動体の姿勢が変化する。このとき場合によっては、流体の抵抗や流体中自由運動体自身が発生する推力などの条件により、進行方向も同時に変化する。
【００５７】
この時、目標位置に対して、最適な姿勢となるように姿勢制御する場合、流体中自由運動体の姿勢の変化の速度も重要になる。時には目標位置へ到達するためには急激な姿勢の変化が必要となり、時には姿勢の変化の際に流体との抵抗を最小限度に抑え、流体中自由運動体の運動エネルギーの量をできるだけ多く保持するために緩やかな姿勢の変化が必要となる場合がある。この様な場合、各噴出口より噴流を噴出させる時間の比を制御する。
【００５８】
図１４に本実施の形態のブロック図を示す。
【００５９】
流体中自由運動体には、流体中自由運動体の位置情報を得るための位置情報センサー３１が設けられている。位置情報センサー３１は、例えばレーダ、赤外線カメラ、ＧＰＳ等が用いられる場合が多い。また、流体中自由運動体には、流体中自由運動体の例えば速度や姿勢等の運動状況の情報を得るための運動状況のセンサー３３が設けられている。運動状況のセンサー３３は、例えば地磁気センサー、速度計、角速度計等が用いられる場合が多い。流体中自由運動体の操舵翼２２ａ〜２２ｄに力を発生させるため、例えば第１の実施の形態に示す流体経路切替素子が設けられ、制御バルブ９ａ、９ｂによって噴流の出力経路が切り替えられる。位置情報センサー３１および運動状況のセンサー３３ならびに制御バルブ９ａ、９ｂは制御装置３２に接続され、入出力が制御される。
【００６０】
図１５に本実施の形態のフローチャートを示す。
【００６１】
まず、流体中自由運動体の制御装置３２は、流体中自由運動体の現在位置に対する目標到達位置の方向（Ｆ）、距離（Ｄ）の情報を位置情報センサー３１から取得する（Ｓ１）。
【００６２】
次に、目標到達位置の方向、距離の情報を得た制御装置３２は、既に流体中自由運動体が目標到達位置に対してあらかじめ設定された距離（しきい値）以下の場合は、目標到達位置に到達したと判断する。目標到達位置にまだ達していない場合、流体中自由運動体の制御装置３２は、目標到達位置に近づくための姿勢制御を開始する（Ｓ２）。
【００６３】
続いて、流体中自由運動体の制御装置３２は、現在の流体中自由運動体の運動の状況、例えば速度（ｖ）や姿勢（Ｓ）等の情報を運動状況のセンサー３３から取得する（Ｓ３）。目標到達位置の方向および距離と現在の流体中自由運動体の運動の情報から、制御装置３２は目標姿勢、および現在の姿勢と目標姿勢の差異（ΔＳ）、すなわち目標到達位置に近づくための流体中自由運動体の操舵量を決定する（Ｓ４）。
【００６４】
制御装置３２は、決定した操舵量に応じて、操舵翼２２ａ〜２２ｄに設けられた合計８系統の出力口から噴流を噴出させる噴出時間の比（Ｃx  ｘ＝１〜８）を決定し（Ｓ５）、各出力口から決定した噴出時間の比に従って噴流を噴出させ、流体中自由運動体の姿勢を目標姿勢に近づけて（Ｓ６）、再び目標到達位置の距離（Ｆ）、方向（Ｄ）の入力（Ｓ１）へ戻る。
【００６５】
次に、噴流を噴出させる手順（Ｓ６）の詳細について図１５（ａ）および図１５（ｂ）を参照しながら説明する。制御装置３２は噴出時間の比に応じて噴出時間を決定する。この時、噴出時間の決定には２通りの方法が考えられる。
【００６６】
まず図１５（ａ）に示す方法について説明する。
【００６７】
流体中自由運動体の移動速度や重量等の条件に応じて、噴流を噴出させる１回の制御単位に要するサイクル時間、すなわち単位噴出時間（ｔ1）を決定する。単位噴出時間はあらかじめ決定した定数でも、流体中自由運動体の状況に応じて、別途決定する変数でも構わない。
【００６８】
単位噴出時間ｔ1を決定した噴出時間の比に分割し、各噴出口から噴流を噴出させる噴出時間（ＴX＝ｔ1×Ｃx／ΣＣ  Ｘ＝１〜８）を決定する（Ｓａ１）。この時、第１の実施の形態の流体経路切替素子が切り替えできない噴出時間、すなわち流体経路切替素子の応答性能を超えた短い噴出時間となった場合、噴出時間（Ｔｘ）はゼロ（噴出しない）または流体経路切替素子の応答性能を超えない値とする。
【００６９】
各噴出口から噴流を噴出させる時間が決定した後、制御装置３２はカウンタ（本実施の形態では１〜８）を設定する（Ｓａ２）。制御装置３２は分割された噴出時間（ＴX  Ｘ＝１〜８）、噴出口Nから噴流が噴出するように対応する流体経路切替素子の制御バルブを切り替える（Ｓａ３）。具体的には、例えば制御装置３２内の処理部３４は制御バルブの開放時間（噴出時間ＴX）、遮断時間（単位噴出時間ｔ1−噴出時間ＴX）を、制御装置３２内のタイマー回路とＩＯコントロール回路を有するインターフェース３５へ出力し、インターフェース３５は各制御バルブを処理部３４の出力に応じて開閉する。制御装置３２は、これをカウンタを用いて噴出口の数だけ繰り返し（Ｓａ４）、メインルーチンへ戻る。
【００７０】
次に図１５（ｂ）に示す方法について説明する。
【００７１】
流体経路切替素子の応答性能より、流体経路切替素子が噴流を切り替えることができる最短時間（最小噴出時間ｔ2）を決定する。制御装置３２は最小噴出時間ｔ2と決定した噴出時間の比の積（噴出時間  ＴX＝Ｃx×ｔ2  Ｘ＝１〜８）を求める（Ｓｂ１）。
【００７２】
各噴出口から噴流を噴出させる時間が決定した後、制御装置３２はカウンタ（本実施の形態では１〜８）を設定する（Ｓｂ２）。制御装置３２は求められた噴出時間（ＴX  Ｘ＝１〜８）、噴出口Nから噴流が噴出するように対応する流体経路切替素子の制御バルブを切り替える（Ｓｂ３）。具体的には上述した図１５（ａ）の例と同様に、例えば制御装置３２内の処理部３４は各バルブの開放時間（噴出時間ＴX）、遮断時間（Σ噴出時間Ｔ−噴出時間ＴX）を、制御装置３２内のタイマー回路とＩＯコントロール回路を有するインターフェース３５へ出力し、インターフェース３５は各制御バルブを処理部３４の出力に応じて開閉する。制御装置３２は、これをカウンタを用いて噴出口の数だけ繰り返し（Ｓｂ４）、メインルーチンへ戻る。
【００７３】
ここで、流体経路切替素子の応答性能について図３に示す流体経路切替素子を用いて実験を行ったので、結果を図５を参照しながら説明する。ここで図５中上段のグラフは測定点１２の加速度を、下段のグラフは制御バルブ９ａ、９ｂへの入力信号を示す。図５に示す通り、制御バルブ９ａ、９ｂを１０Ｈｚ、２０Ｈｚと高速に切り替えを行っても、制御バルブ９ａ、９ｂの切り替えに応じて噴流１１が出力口５ａ、５ｂと切り替えられることが確認できた。
【００７４】
この様に、第４の実施の形態による流体中自由運動体の姿勢制御方法は、各噴出口から噴出時間の比に従って噴流を噴出させるので、大きく舵を切りたい場合についても、小さく舵を切りたい場合についても、対応が可能となる。また、第４の実施の形態による流体経路切替素子は、噴流の噴出先の選択を非常に高速に切り替え可能なため、デジタル（２値的）に切り替えられた噴流ではあるが、高速な切り替えを反復することで、中間値的な操舵量、量の時間的変化といったアナログ（比例的）的な操舵が可能で、なめらかな姿勢制御が可能となる。
【００７５】
なお、本発明は上述したような各実施の形態に限定されるものではなく、形状や材質、構成を変更してもよく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で変更して実施することができる。例えば、第４の実施の形態による流体中自由運動体の姿勢制御方法では、１回の目標姿勢の決定に対して、噴流を噴出させる手順（Ｓ６）の呼び出しが１回である例を紹介したが、例えば、１回の目標姿勢の決定に対し、噴流を噴出させる手順（Ｓ６）を複数回呼び出してもかまわない。センサーの応答性能や制御装置３２の演算処理能力、流体経路切替素子の応答性能のバランスから任意に決定することも可能である。
【００７６】
また、図１５（ａ）、図１５（ｂ）の２通りの方法は、もう一方の方法や他の方法と組み合わせて使用したり、図１１の流体経路切替素子が操舵翼の内部に設けられていたりしてもかまわない。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明による流体経路切替素子の第１の実施の形態を示す構成図。
【図２】本発明による流体経路切替素子の第１の実施の形態を示す構成図。
【図３】本発明による流体経路切替素子の実験サンプルを示す構成図。
【図４】本発明による流体経路切替素子の実験結果を示す図。
【図５】本発明による流体経路切替素子の実験結果を示す図。
【図６】本発明による流体経路切替素子の第１の実施の形態の変形例を示す構成図。
【図７】本発明による流体経路切替素子の第２の実施の形態を示す構成図。
【図８】本発明による流体経路切替素子の第２の実施の形態の変形例を示す構成図。
【図９】本発明による流体経路切替素子の第２の実施の形態の変形例を示す構成図。
【図１０】本発明による流体経路切替素子の第２の実施の形態の変形例を示す構成図。
【図１１】本発明による流体中自由運動体の実施の形態を示す構成図。
【図１２】本発明による流体中自由運動体の実施の形態を示す部分断面図。
【図１３】本発明による流体中自由運動体の実施の形態の変形例を示す部分断面図。
【図１４】本発明による流体中自由運動体の姿勢制御方法の実施の形態を示すブロック図。
【図１５】本発明による流体中自由運動体の姿勢制御方法の実施の形態を示すフローチャート。
【図１６】従来の流体中自由運動体の構成図。
【図１７】従来の流体中自由運動体の構成図。
【図１８】従来の流体中自由運動体の部分拡大図。
【図１９】従来の流体中自由運動体の構成図。
【図２０】従来の流体中自由運動体の構成図。
【符号の説明】
【００７８】
１  本体
２  流体入力経路
３  入力口
４ａ、４ｂ  噴流出力経路
５ａ、５ｂ  出力口
６  ノズル部
７  空間
８ａ、８ｂ  制御経路
９ａ、９ｂ  制御バルブ
１０  流体
１１  噴流
１２  測定点
１３  三方弁本体
１４ａ  入力ポート
１４ｂ  出力ポート
１５  切り替え弁
２０  ボディー
２１  胴体
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ  操舵翼
２３ａ、２３ｂ  出力口
２４  流体源
２５ａ、２５ｂ、２５ｃ  流れ
２６  力
３１  位置情報センサー
３２  制御装置
３３  運動状況のセンサー
３４  処理部
３５  インターフェース
４０  壁面
５０  三方弁
５１  筐体
５２ａ、５２ｂ  出力管
５３  接続経路
５４  空間
５５ａ、５５ｂ  接触部
５６  圧電素子
５７  電流供給手段
５８  接点部
５９  入力管
６０  延長部材
６１  支点
６２  ガイド部
６３  環状部材
１０１  胴体
１０２  操舵翼
１０３  主翼
１０４  フラップ
１０６  垂直尾翼
１０７  方向舵
１０８  水平尾翼
１０９  昇降舵
１１０  流体
１１１  揚力
１１２  潜舵
１１３  胴体
１１４  噴流口
１１５  ジェットエンジン
１１６  操舵翼
【図１】
2005121209.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005121209.tif 000010
【図８】
2005121209.tif 000011
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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